不同高度開洞對高層建筑風(fēng)特性影響的數(shù)值模擬

本文以fluent軟件和高性能集群作為數(shù)值模擬平臺,通過改變高層建筑物高度進行了并行數(shù)值模擬。并對并行數(shù)值模擬結(jié)果和集群并行計算效率進行了分析,分析結(jié)果表明：隨著建筑物高度的增加,建筑物周圍最大風(fēng)速和最大風(fēng)速比增大,建筑物對其周圍空氣流動的影響增強。在并行計算中,當cpu個數(shù)相同時,隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加,并行效率呈增加趨勢但增大的幅度越來越小;當網(wǎng)格數(shù)相同時,隨著cpu個數(shù)增加,并行計算效率呈減小趨勢。

基于計算流體力學(xué)軟件fluent對不同角部形狀的矩形高層建筑進行三維數(shù)值風(fēng)場模擬。首先,選用三種不同的湍流模型realizablek-ε,rngk-ε及雷諾應(yīng)力模型(rsm),對矩形截面標準高層建筑進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明,與風(fēng)洞試驗結(jié)果對比,除了分離區(qū)等流動復(fù)雜的區(qū)域外,數(shù)值模擬能夠較好地反映風(fēng)壓分布狀況。其中,雷諾應(yīng)力模型由于考慮湍流各向異性的影響,與試驗結(jié)果最為接近。其次,對同尺寸下的切角及倒角高層建筑進行雷諾應(yīng)力湍流模型下的數(shù)值模擬。結(jié)果表明,角部處理能有效地減小風(fēng)荷載。在側(cè)風(fēng)面,切角與倒角能有效抑制來流分離。在背風(fēng)面,切角能減小尾流寬度與旋渦尺寸,與原模型相比,風(fēng)荷載約降低15%;而倒角建筑由于較好的流線性,尾流寬度與旋渦尺寸降到最小,風(fēng)荷載僅為矩形截面的65%。

為研究湍流積分尺度對高層建筑風(fēng)荷載大小和分布的影響,研究其合理取值,基于大渦模擬開展了b類地貌不同湍流積分尺度下caarc(commonwealthadvisoryaeronauticalresearchcouncil)標準高層建筑模型繞流模擬,并將模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗進行了比較.研究結(jié)果表明:大渦模擬能較好地反映高層建筑周圍風(fēng)場繞流特性和表面風(fēng)壓分布.隨著湍流積分尺度的增大,平均運動的變形率向湍流脈動輸入能量,以致平均風(fēng)速降低、湍流強度增大；側(cè)面風(fēng)壓脈動性降低15%、分離流附著提前出現(xiàn)；基底扭矩譜和彎矩譜的峰值及高頻段幅值均減小；層斯托羅哈數(shù)在0.4倍建筑高度以下基本相同,隨高度的增加其值下降20%~30%；層平均阻力系數(shù)下降5%~10%；迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)平均值下降2%~5%,側(cè)面和背面下降12%~17%.湍流積分尺度對迎風(fēng)面和側(cè)面上風(fēng)向的風(fēng)壓水平相關(guān)性、層升力和0.8倍建筑高度以下的層阻力相關(guān)性的影響可以忽略.隨湍流積分尺度的增大,風(fēng)壓水平相關(guān)系數(shù)增大,背風(fēng)面增大5%~10%,側(cè)面下風(fēng)向增大15%~25%,0.8倍建筑高度以上層阻力相關(guān)性系數(shù)增大25%~50%.b類地貌湍流積分尺度的調(diào)整系數(shù)為0.4時,計算得到的風(fēng)荷載與試驗結(jié)果趨于一致.

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植物通過蒸騰作用,與周圍大氣不斷進行著熱濕交換,從而調(diào)節(jié)大氣的溫、濕度分布。植被對太陽輻射的反射和遮擋作用,使得調(diào)節(jié)作用提升到葉面高度附近。植被的高度、覆蓋率、覆蓋面積都會對空氣的溫、濕度分布產(chǎn)生不同的影響。利用流體力學(xué)計算軟件,提出了把建筑室內(nèi)外熱環(huán)境耦合,將植被區(qū)域視為多孔介質(zhì)的方法,初步分析了不同高度植被對建筑微環(huán)境的空氣溫度及熱量交換的影響規(guī)律,旨在探究各種植被條件對建筑微環(huán)境的影響。

本文結(jié)合具體工程實例，對轉(zhuǎn)換層位置分別在3層、6層和9層這3種模型進行對比分析，探討了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)置高度對結(jié)構(gòu)整體動力特性及局部轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力等的影響。在分析的基礎(chǔ)上，得出了一些有益的結(jié)論，給出了設(shè)計建議，對該類結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計具有一定的參考價值及工程指導(dǎo)意義。

采用經(jīng)過fft算法改進的諧波疊加法(waws)及自回歸(ar)模型的線性濾波法對實際工程進行脈動風(fēng)速時程模擬.對2種算法所模擬的風(fēng)速時程進行分析,結(jié)果顯示了風(fēng)速功率譜及相關(guān)函數(shù)的特性,分析結(jié)果說明ar模型中模型階次及時間步長對風(fēng)速時程產(chǎn)生較大影響.根據(jù)結(jié)構(gòu)的有限元動力分析,采用能量相等的原則,即使結(jié)構(gòu)固有頻率段內(nèi)的目標譜和模擬譜能量相等,對風(fēng)速時程進行修正,使模擬風(fēng)速時程更趨合理.

首先介紹了3種較為常見的脈動風(fēng)相干函數(shù)表達形式,然后基于隨機振動理論在頻域內(nèi)推導(dǎo)了高層結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)的無量綱化解析式,在此基礎(chǔ)上對采用不同脈動風(fēng)相干函數(shù)所得到的高層結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明,不同脈動風(fēng)相干函數(shù)對結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析結(jié)果的影響主要體現(xiàn)在共振響應(yīng)部分,采用不考慮頻率項的相干函數(shù)所得到的風(fēng)振響應(yīng)分析結(jié)果要偏大60%左右。最后,對中國荷載規(guī)范給出的脈動影響系數(shù)ν計算提出了應(yīng)乘以0.6~0.7折減系數(shù)的建議。

采用火災(zāi)模擬專業(yè)軟件fds對不同火源位置、不同風(fēng)向條件下火災(zāi)煙氣的運動進行模擬,測定典型位置處溫度、速度、co及co2體積分數(shù)變化情況。實驗結(jié)果表明:在近地風(fēng)場中,風(fēng)向?qū)ωQ井內(nèi)煙氣蔓延的影響大小順序為迎風(fēng)>背風(fēng)>側(cè)風(fēng),豎井開口位于迎風(fēng)面時,外界風(fēng)對豎井內(nèi)煙氣運動影響最大:火源位于中性面以上時,煙氣通過豎井與前室的開口向豎井內(nèi)蔓延,并向下運動;而火源位于中性面以下時,前室內(nèi)煙氣向外部運動,豎井內(nèi)無煙氣流入。

以中華城商業(yè)社區(qū)高層建筑群為工程背景,采用rngk-ε湍流模型模擬了建筑群中超高層建筑的表面平均風(fēng)壓分布及周圍風(fēng)環(huán)境,計算了與風(fēng)洞試驗等雷諾數(shù)及增大來流風(fēng)速和模型尺寸提高雷諾數(shù)后的兩類雷諾數(shù)工況,并同風(fēng)洞試驗結(jié)果進行了對比。結(jié)果表明,在等雷諾數(shù)情況下,風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬得到的超高層建筑表面風(fēng)壓分布較為一致,數(shù)值差別在15%以內(nèi);數(shù)值模擬與試驗雷諾數(shù)相差25倍的工況中,當多數(shù)建筑主軸向與來流風(fēng)速成一定角度時,超高層建筑的風(fēng)壓分布及周圍流場的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗較一致;當多數(shù)建筑主軸向與來流風(fēng)速平行時,尾流中旋渦分布的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗差異明顯,但平均風(fēng)壓分布的數(shù)值模擬與試驗結(jié)果略顯差別。

建筑風(fēng)環(huán)境作為建筑節(jié)能設(shè)計的一個重要方面,其對于區(qū)域氣候與局部微氣候的影響都不容忽視.本文應(yīng)用基于rngk-ε模型的cfd軟件數(shù)值模擬研究不同的建筑高度差對建筑周圍風(fēng)場環(huán)境的影響,揭示有利于風(fēng)流動的建筑因素,為進一步的住區(qū)建筑規(guī)劃提供思路.模擬結(jié)果顯示,在來流風(fēng)速一定雙體建筑高度差不同時,建筑間谷區(qū)風(fēng)速與形成渦旋的中心位置和大小均不同.

對開洞高層建筑剛性模型進行了風(fēng)洞測壓試驗。基于試驗結(jié)果,分析了立面和洞口表面的風(fēng)壓分布規(guī)律,研究了洞口表面脈動風(fēng)壓的功率譜。結(jié)果表明:當洞口軸線方向與來流方向一致時,迎風(fēng)面洞口附近區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)總體上比立面不開洞時減小,少數(shù)測點的平均風(fēng)壓系數(shù)增大,脈動風(fēng)壓系數(shù)變化較小;背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)總體上比立面不開洞時減小,但洞口附近局部平均風(fēng)壓系數(shù)增大可達40%,脈動風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律與平均風(fēng)壓系數(shù)類似;側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動風(fēng)壓系數(shù)比立面不開洞時均有不同程度的減小;洞口內(nèi)部為負風(fēng)壓,脈動風(fēng)壓的功率譜與一般高層建筑側(cè)風(fēng)面氣流分離區(qū)域脈動風(fēng)壓的功率譜有明顯差異。最后,給出了設(shè)置兩個洞口時,立面極值風(fēng)壓系數(shù)的影響系數(shù)以及洞口表面極值風(fēng)壓系數(shù)的分布圖。

某沿海超高層建筑高度達350m,高寬比達7.6,又處于浙江沿海地區(qū),風(fēng)荷載是其結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制荷載.數(shù)值模擬了不同風(fēng)向下超高層建筑底部平均風(fēng)合力和合力矩,與風(fēng)洞試驗結(jié)果相近,一般情況兩者差別不大于15%;同時擬合了該建筑表面的脈動風(fēng)壓自譜密度和相干函數(shù)經(jīng)驗表達式,采用空間隨機風(fēng)振的cqc方法對塔樓進行了風(fēng)致動力響應(yīng)分析,并通過塔樓頂層峰值加速度響應(yīng)和底部靜力等效風(fēng)荷載合力和合力矩的比較與分析,表明高層建筑專用風(fēng)振分析方法在實際工程中應(yīng)用的可行性.

隨著海島城市高層建筑興建量的與日俱增,由此而產(chǎn)生的風(fēng)環(huán)境已不可輕視。文中主要選用k-ξ湍流模型,應(yīng)用cfd數(shù)值方法模擬高層建筑風(fēng)環(huán)境的分布情況,從而分析風(fēng)環(huán)境對建筑的影響和建筑對人的舒適感的影響。為今后的高層、超高層建筑的設(shè)計施工及現(xiàn)有建筑的環(huán)境改善提供一個有效的參考平臺。

針對我國現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定的削角和凹角兩種角沿修正形式,進行了7種截面形式高層建筑模型的風(fēng)洞測壓試驗。定義角沿修正比為單個角沿沿主軸方向投影長度與全截面在同一方向投影長度之比,分析了角沿修正比對建筑風(fēng)荷載的影響。試驗結(jié)果表明:截面采用角沿修正是減小矩形截面建筑順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)荷載的有效方式;截面采用角沿修正比為10%的凹角修正時,建筑順風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)平均值和均方根值降低最多;截面采用角沿修正比為20%的凹角修正時,橫風(fēng)向風(fēng)力系數(shù)均方根值降低最多;從頻域來看,角沿修正對順風(fēng)向風(fēng)力功率譜影響不大,而隨著角沿修正比的增大,橫風(fēng)向風(fēng)力功率譜譜峰對應(yīng)的折算頻率將向高頻部分移動。

推導(dǎo)了脈動風(fēng)荷載作用下考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用時高層建筑結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的計算公式.算例表明土-結(jié)構(gòu)相互作用對高層建筑風(fēng)振加速度響應(yīng)有明顯影響.一般而言,在軟土地基上土-結(jié)構(gòu)相互作用使高層建筑風(fēng)振時加速度增加,從而增加了人體的不舒適感,甚至有可能影響到高層建筑的使用功能,故在設(shè)計時應(yīng)引起重視.

對一球形高層建筑在有和沒有曲殼裙房情況下的表面風(fēng)壓分布進行了數(shù)值模擬和分析。結(jié)果表明,曲殼裙房對主體高層建筑的風(fēng)荷載有著較顯著的影響。裙房縮小了球形建筑迎風(fēng)面和背風(fēng)面的正風(fēng)壓區(qū)域,最大正風(fēng)壓略有減小;裙房較大程度地提高了球形建筑側(cè)風(fēng)面和頂面的負風(fēng)壓數(shù)值,整體結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載趨于增大,風(fēng)壓分布趨于不均勻。由于裙房的影響,在球面背風(fēng)區(qū)下側(cè)還觀察到了明顯的對稱渦列。在對不同風(fēng)向角下的風(fēng)壓分布規(guī)律進行分析的基礎(chǔ)上,還給出了建筑物在最不利風(fēng)向角下的最不利剖面上的風(fēng)壓系數(shù)分布曲線。

結(jié)合某高層建筑施工實際工程,運用midas軟件建立真三維數(shù)值模型,模擬高層建筑基坑分塊、分層開挖卸載和建筑施工加載整個施工全過程對臨近既有隧道的影響,通過隧道洞周收斂、隧道豎向位移、水平位移、變形曲率和襯砌產(chǎn)生的附加應(yīng)力變化,對隧道安全進行評價。結(jié)果表明,計算結(jié)果與工程實際監(jiān)測結(jié)果基本吻合,得出隧道處于安全工作狀態(tài)的結(jié)論。

高層建筑(群)風(fēng)效應(yīng)與地貌條件相關(guān),分析掌握其內(nèi)在關(guān)系是建筑布局規(guī)劃和抗風(fēng)設(shè)計的重要前提。基于雷諾時均模擬方法(rans),引入具有分離流預(yù)測優(yōu)勢的sstk-ω湍流模型,以某高層建筑單體及群體風(fēng)場為對象,模擬4類地貌條件下的風(fēng)效應(yīng)場,側(cè)重分析人行高度(2m)風(fēng)速場以及建筑立面的風(fēng)壓分布特性。分析結(jié)果表明,地貌除對人行高度的風(fēng)速場影響明顯外,對高層建筑表面風(fēng)壓系數(shù)影響也較為可觀,實際工程應(yīng)適當考慮地貌效應(yīng)。

通過建立高層辦公建筑物理模型,采用大渦模擬方法進行數(shù)值模擬,研究不同風(fēng)向條件下室外風(fēng)對高層建筑疏散通道煙氣運動的影響規(guī)律。結(jié)果表明:室外風(fēng)可以稀釋走廊煙氣中co的濃度,加快煙氣排出;煙氣在樓梯間的運動由于受到多種因素影響,情況較為復(fù)雜,迎風(fēng)時,室外風(fēng)對于樓梯間煙氣排出和人員疏散具有積極的作用,背風(fēng)時則相反。因此高層建筑設(shè)計時應(yīng)加大走廊中可開啟外窗的面積,將設(shè)有外窗的樓梯間設(shè)置在該地區(qū)常年主導(dǎo)風(fēng)向一側(cè)。

立面開洞是建筑實踐中的常見現(xiàn)象，至今，國內(nèi)外有關(guān)洞口設(shè)置對高層建筑風(fēng)荷載影響的研究還很少。洞口形狀、位置及開洞率等都是影響建筑靜力風(fēng)荷載的因素，借助計算流體動力學(xué)(cfd)大型商業(yè)軟件fluent6．0，進行了大量的數(shù)值模擬分析，研究了相對風(fēng)壓和基底傾覆力矩系數(shù)與開洞率間的關(guān)系，給出了中部和下部開口情況下的相關(guān)方程。同時探討了底部開洞情況下。洞內(nèi)風(fēng)速的增大效應(yīng)與洞口大小和來流方向之間的關(guān)系。所得結(jié)論可供工程研究和抗風(fēng)設(shè)計參考。

在運營和擬建的軌道交通線路周圍進行任何工程建設(shè),都將對線路的軌道和結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生影響。為正確評估此類工程建設(shè)活動的影響,必須選用合理的計算方法、計算模型和計算參數(shù)。以實際工程為背景,利用有限元-半無限元耦合靜力計算模型,預(yù)測分析了某高層建筑后期沉降所引起的不同施工工況下擬建地鐵區(qū)間隧道的變形和內(nèi)力值,并提出了控制高層建筑沉降影響的建議。